Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Komunikační protokoly pro dálkové ovládání IEC/ISO 60870-5

Normy IEC/ISO 60870-5 specifikují komunikační protokoly určené pro systémy dálko­vého řízení a systémy SCADA používané v geograficky rozlehlých soustavách, zejména v elektrizační síti. Od doby, kdy byla norma schválena, již byly tyto protokoly použity v mnoha úlohách a v mnoha dalších projektech je jejich použití plánováno. Tento článek seznamuje čtenáře se základními rysy a specifikacemi těchto protokolů.
 
Normy IEC/ISO 60870-5 (v české sousta­vě norem jako normy ČSN EN 60870-5 Sys­témy a zařízení pro dálkové ovládání. Část 5: Komunikační protokoly) specifikují přenoso­vé protokoly pro dálkové ovládání zařízení a soustav, které jsou založeny na sériovém přenosu binárně kódovaných dat a jsou ur­čeny pro dohled a ovládání geograficky roz­lehlých procesů. Na specifikaci protokolů pracovala technická skupina TG 03 technic­kého výboru TC 57 Mezinárodní elektrotech­nické komise IEC, přičemž práce na ní zača­la v roce 1988. Řekněme si nyní jednoduše, o co v těchto normách jde.
 

Protokol master-slave

Normy IEC 60870-5 vycházejí z mode­lu master-slave a specifikují funkce užitečné pro systémy dálkového ovládání. Dvě nejdů­ležitější z nich jsou funkce Report By Excep­tion (RBE) a mechanismus přiřazování časo­vých značek.
 

Master-slave

Jednoduše řečeno, v komunikačních sys­témech s modelem master-slave využívají­cích sériovou sběrnici je jedna řídicí jednot­ka master, která odesílá požadavky (dotazy, příkazy, requests) postupně všem svým pod­řízeným jednotkám – slaves. Každá podří­zená jednotka reaguje individuálně na ty po­žadavky, které jsou jí určeny. Klasické sché­ma požadavek-odpověď (request-response) má pevná pravidla, zvaná polling; postup dotazování může být přizpůsoben individu­álním požadavkům. Na uvedeném modelu je založeno mnoho široce rozšířených komuni­kačních protokolů. V tomto typu protokolů je každý přenos dat nebo zpráv po síti řízen jednotkou master.
 
U klasických řídicích systémů, které ne­jsou plošně rozlehlé (řízení strojů, výrobních linek a provozů), je jednotkou master komu­nikační sítě zpravidla programovatelný auto­mat nebo podobné zařízení a jednotky slaves jsou snímače, akční členy, moduly I/O, re­gulátory, jiná PLC atd. Ve speciálním přípa­dě rozlehlých elektrizačních soustav je řídicí jednotkou zpravidla počítač umístěný v dis­pečinku, zatímco řízené jednotky se označu­jí jako RTU – Remote Terminal Unit. To jsou průmyslové počítače, nebo řidčeji PLC, kte­ré řídí elektrickou rozvodnu. Na trhu jsou dostupná elektrická zařízení, jako odpínače nebo ochranná relé, s integrovaným rozhra­ním jednotky slave podle IEC 60970-5-101, -103 nebo -104.
 

Report by Exception

Je zřejmé, že pro jednotku master, umís­těnou v centrálním dispečinku, může být vel­mi důležité dozvědět se co nejrychleji, obje­ví-li se na jednotce slave hodnota proměnné signalizující mimořádnou událost. K tomu je určena funkce Report by Exception (RBE). Ta umožňuje vzdáleným stanicím slave požádat o komunikaci s jednotkou master. Podle IEC 60870-5 má zařízení slave schopnost iniciovat např. takovouto transakci: „jsem procesní pro­měnná č. 27 a změnila jsem svůj stav z 0 na 1.“ Rozumí se, že proměnná náleží zařízení typu slave; bez funkce RBE by se master o změně hodnoty proměnné dozvěděl až v okamžiku, kdy by na danou jednotku slave došlo podle pravidelného pořádku dotazování.
 

Časové značky

Časové značky umožňují uživateli (nebo aplikaci, která zpracovává data) sledovat ur­čitou událost. Časová značka je připojena ke každé události a poskytuje informaci o tom, kdy se tato událost stala. Například událost „jsem proměnná č. 27 a změnila jsem svůj stav z 0 na 1“ je doplněna časovou značkou ve formátu rok-týden-den v týdnu-hodina-minuta-sekunda-setiny sekundy. Když na­stane mimořádná událost, obvykle je násle­dována kaskádou dalších. Podle časové znač­ky lze snáze identifikovat, která událost byla první, a určit, co bylo příčinou sekvence zá­vad. Je patrné, že v normě musí být speci­fikován robustní a silný mechanismus syn­chronizace, aby bylo možné bez ohledu na vzdálenost mezi jednotkami RTU a jednot­kou master zpracovat údaje o přesném čase v každé jednotce.
 

Kompletní sada norem

 
IEC/ISO 60870 (u nás zavedená jako ČSN EN 60870) je označení pro celou skupinu no­rem s názvem Systémy a zařízení pro dálkové ovládání. Pouze jedna její část, IEC 60870-5, ze zabývá komunikačními protokoly. Udělej­me si nejprve stručný přehled o celé skupině.
 
Jako úvod, první dvě části, IEC 60870-1 a 60870-2, se postupně zabývají „všeobecný­mi ustanoveními“ (všeobecné zásady, návod pro specifikace, výklad zvláštních výrazů, zá­kladní aspekty apod.) a „provozními podmín­kami“ (napájení a elektromagnetická kompa­tibilita, klimatické, mechanické a další nee­lektrické vlivy).
 
Třetí část, 60870-3, popisuje „elektrické charakteristiky rozhraní“, tj. podmínky pro rozhraní, které musí být splněny, mají-li růz­né prvky spojené navzájem vytvořit funkční systém dálkového ovládání a umožnit uživa­teli takový systém spravovat.
Čtvrtá část, 60870-4, je velmi důležitá. Zabývá se totiž „požadavky na vlastnosti“ – charakteristikami, které mají vliv na pro­voz systémů dálkového ovládání a souvise­jí s vlastnostmi aplikace a funkcemi zpraco­vání dat, dále stanovuje soubor pravidel pro hodnocení a specifikaci požadavků na výkon, a je-li to účelné, také se věnuje klasifikaci do výkonnostních tříd pro každou z vyjmenova­ných vlastností.
 
Pátá část, která nás zvláště zajímá, se sou­střeďuje na „přenosové protokoly“. Obsahuje několik částí, z nichž prvních pět je:
  • IEC 60870-5-1 Formáty přenosového rám­ce – asynchronní přenos dat s linkovými protokoly half-duplex full-duplex, stan­dardy pro kódování, formátování a syn­chronizování datových rámců s hodnota­mi proměnných a metody zajištění integri­ty dat,
  • IEC 60870-5-2 Procedury spojového pře­nosu – procedury pro sériový přenos kó­dovaných digitálních dat,
  • IEC 60870-5-3 Obecná struktura aplikač­ních dat – pravidla pro strukturování jednotek aplikačních dat v přenosových rám­cích,
  • IEC 60870-5-4 Definice a kódování apli­kačních informačních prvků – pravidla pro definování informačních prvků, zvláště di­gitálních a analogových procesních pro­měnných, často používaných v systémech dálkového řízení,
  • IEC 60870-5-5 Základní aplikační funkce – standardy pro zajištění interoperability různých zařízení elektrizační soustavy.
Část IEC 60870-5-101 je Společná norma pro základní úkoly dálkového ovládání. Cílem je umožnit funkční interoperabilitu mezi kom­patibilními zařízeními dálkového řízení. Byla publikována v roce 1995 a doplněna v roce 1998, aby definovala také přenos úplné časové značky události. Poslední změna byla vydána nedávno; množství změn a úprav svědčí o ros­toucím zájmu o tuto část normy. Část -101 také popisuje mechanismy, které byly krátce popsá­ny v předchozích odstavcích.
 
Části IEC 60870-5-102 a -103 specifiku­jí další společné standardy, první pro přenos integrovaných součtových hodnot v elektri­začních soustavách (to zajímá jen odborníky v tomto oboru) a druhá pro informační roz­hraní ochran (zajišťuje interoperabilitu mezi ochranami a zařízeními řídicího systému pod­řízené stanice).
 
A nakonec IEC 60870-5-104 s názvem Sí­ťový přístup pro IEC 60870-5-101 používají­cí normalizované transportní profily. Zjedno­dušeně řečeno, zatímco část -101 specifikuje mechanismy přenosu dat, část -104 stanovu­je (nebo v některých případech jen doporu­čuje) jejich použití v běžných komunikač­ních sítích; z nich nejpopulárnější je Ether­net s TCP/IP.
 
Část 6 skupiny standardů IEC 60780 se týká protokolů pro dálkové ovládání kom­patibilních se standardy ISO a doporučení­mi ITU-T. Od části 5 se liší zejména tím, že vychází z modelu klient-server a je využívá­na pro větší systémy zpracování dat a počí­tačové sítě. Jde především o přenos informa­cí mezi jednotlivými dispečinky elektrizační soustavy navzájem a mezi nimi a dispečin­ky elektráren.
 

Příklady použití

 
Je samozřejmé, že norma IEC 60870-5 na­chází uplatnění především v elektroenergeti­ce, i když její použití jinde vůbec není vylou­čené. Jiný, podobný protokol se nazývá DNP 3.0 (Distributed Network Protocol). Byl vy­tvořen v roce 1990 v reakci na rostoucí po­žadavky severoamerického trhu. DNP 3.0 se v současné době používá v mnoha oblastech procesního průmyslu: v petrochemii, farma­cii, potravinářství nebo vodárenských sousta­vách, a to po celém světě.
 

870, nebo 60870?

 
Poznámka na konec o správném značení těchto norem. Standardizační proces začal, jak už bylo uvedeno, v roce 1988 v Evropě v rámci organizace IEC. V té době byly nor­my označeny IEC 870. Ovšem před třemi lety se dvě velká sdružení pro normalizaci, IEC a ISO (International Standard Organization, která je větší než IEC) rozhodly sdílet stej­ný identifikační systém norem. Podle tohoto systému mají normy navržené ISO počáteč­ní číslice 00 až 59 a normy navržené IEC 60 až 99. Proto je správné onačení nových no­rem ISO/IEC 60870-X-Y. Do českého sys­tému norem jsou tyto normy zavedeny jako ČSN EN 60870-X-Y.
[ProSoft Technology – Europe: IEC/ISO 60870--5-101, -103, -104: communication protocols for telecontrol (SCADA) systems.]
 
Yvan Rudzinski, ProSoft Technology (yrudzinski@prosoft-technology.com),
Pavel Vladyka, ControlTech (vladyka@controltech.cz)

Společnost ProSoft Technology nabízí velké množství různých zařízení určených ke konverzi protokolů a komunikačních bran pro protokoly IEC 60870-5-101, IEC 60870-5-103 a IEC 60870-5-104. Jde o samostatná zařízení i o vestavné moduly do PLC nebo IPC. Typické ob­lasti použití jsou elektrorozvodné sítě, vodohospodářské sítě, systémy veřejného osvětlení, systémy řízení dopravy apod. Více informací najdou zájemci na www.prosoft-technology.com